热电阻传感器的应用温度传感器的应用

发布时间：2024-11-25 03:11:56

温度传感器的应用

温度传感器的类型：

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

接触式： 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。

温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。

一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。

非接触式： 它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。

辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。

温度传感器的测温范围：

电桥：

用比较法测量各种量（如电阻、电容、电感等）的仪器。最简单的是由四个支路组成的电路。各支路称为电桥的“臂”。如图电路中有一电阻为未知（Ｒ2），一对角线中接入直流电源Ｕ，另一对角线接入检流计Ｇ。可以通过调节各已知电阻的值使Ｇ中无电流通过，则电桥平衡，未知电阻Ｒ2＝Ｒ1·Ｒ４/Ｒ3。

图2中，非平衡电桥的BD两端接负载电阻为Ro的电压表。该电桥不需要调平衡，只要测量输出电压Uo或电流Io，就可得到Rx值。

当负载电阻Ro→∞（即电桥输出处于开路状态）时，Io=0，电桥输出端接数字电压表或高输入阻抗放大器时属这种情况。

R0较大时，I0趋向于零

因Io=0，故I1=I4，I2=I3，根据分压原理，输出电压Uo为：

即：

设室温t= t0时，Rx= Rx0，当温度t= t0+D t时，Rx= Rx0+DRx，由（4-22-3）式求得电压Uo为：

测温原理：

由于温度变化而引起的温度传感器的阻值变化较小，通常采用电桥构成放大器。当温度传感器的阻值发生变化时，电桥的两臂出现不平衡。这使得电桥输出一个毫幅级的电压而供中间级放大器放大，再经后续电路测量。电桥输出电压的值可以通过下式求得：

热电阻传感器：

热电阻：电阻值随温度变化的温度检测元件。

金属热电阻的阻值与温度的关系：

RT=R0[1+a(T-T0)+b(T-T0)2...]

式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；α为温度系数。

半导体热电阻的阻值与温度的关系：RT=AeB/t

式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。

采用热电阻构成的测温仪器有电桥、直流电位差计、电子式自动平衡计量仪器、动圈比率式计量仪器、动圈式计量仪器、数字温度计等。

用热电阻进行温度测量时的接法有四线式接法、三线式接法、二线式接法。

热电阻传感器的四线式接法：

为了消除热电阻测量电路中电阻体内导线以及连线引起的误差，在右图所示的电桥及直流电位差计或数字电压表中，热电阻体采用4线连接方式，这样，可用于对标准电阻温度计进行校正，并能对温度进行高精度的测量。

如图所示为热电阻传感器构成的电桥测温计。图中，RX为热电阻体构成的电阻元件，G为检流计或微电流检测器，R为固定电阻，R１～R4为平衡调节电阻，S为切换开关,L1、L2为热电阻体内导线。

检流计上部的电压：VGU=[RX/(RX+R)]U

下部的电压：VGD=[R4/(R3+R4)]U

检流计的电压：

VG=VGU-VGD={(RXR3-R4R)/[(R3+R4)(R+RX)]}.U

由上式可见只要RX的值发生变化，则VG发生变化。

另一种四线式接法：

下图中R为固定电阻，R１～R4为平衡调节电阻，S为切换开关，L1、L2为热电阻体内导线。

设R1的左半部分电阻为R10，右半部分电阻为R11。

R2的左半部分电阻为R20，右半部分电阻为R21.R3的左半部分为R30，右半部分为R31。

检流计的左半部分电压为：

VGL=[(R30+R10)/(R+R10+R30)]U

右半部分电压为：VGR=[(RX+R21)/(RX+R21+R)]U

则检流计和R11、R20两边的电压为：

VG=VGL-VGR={(R21R30+RR30-RXR1-RRX)/[(R+R1+R30)(RX+R21+R)]}U

当S接到B时：检流计的左半部分电压为：VGL=[(R30+R10+RX)/(R+R10+R30+RX)]U

右半部分电压为：VGR=[R21/(R21+R)]U

则检流计和R11、R20两边的电压为：

VG=VGL-VGR={(R21R-RR30-R10R-RRX)/[(R+R10+R30+RX)(R21+R)]}

热电阻构成电位差计或数字电压表：

RX为热电阻体构成的电阻元件，RS为标准电阻，Rh为电流调节电阻，S为切换开关。

VRs=[RS/(Rh+RS+RX)]U

VRx=[Rx/(Rh+RS+RX)]U

通过电位差计或数字电压表测出：VRs与VRx的差值从而确定出温度。

温度传感器的三线式接法：

采用3线式连接方式时使用的导线必须是材质、线径、长度及电阻值相等，而且在全长导线内温度分布相同。这种方式可以消除热温度传感器电阻内导线及连线引起的大部分误差，一般的温度测量大都采用这种接线方式。

不难算出检流计两边的电压为：

VG={(RRx-RR3)/[(Rx+R)(R+R1)]}U

图a）为电桥或动圈式计量仪器图；ｂ）为带放大器的动圈式计量仪器。放大器两输入端的电压为：

V={(RRx-RR3)/[(Rx+R)(R+R1)]}U

图ｃ）为电子自动平衡式计量仪器，图ｄ）为数字式温度计。

设RP上端的电压为RPU，下端电压为RPD，图C)中放大器两边的电压为：UA=[(2RPD+Rx-R-RP)/(2RP+2R+Rx)]U

三线式接法能消除误差的原理：

PT100引出的三根导线截面积和长度均相同(即r1=r2=r3)，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻(Rpt100)作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根(r1)接到电桥的电源端，其余两根(r2、r3)分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样两桥臂都引入了相同阻值的引线电阻，电桥处于平衡状态，引线线电阻的变化对测量结果没有任何影响。

热电阻传感器的二线式接法：

下图所示电路为采用2线式连接方式，这种接线方式不能消除连线电阻随温度变化引起的误差，为此，应确保连线电阻值远低于测温的热电阻值。一定要将外部的电阻值调整到计量仪器说明书中提供的标称值。外部电阻是指接在计量仪器的测量端子外侧的导线及测温热电阻体内导线所组成的电路的电阻，不包括由热电阻体构成的电阻元件的电阻。采用热电阻进行高精度的温度测量时，不希望采用2线式连接方式，即使采用也要使用电阻补偿导线检流计两边的电压为：UG={(RxR-RRP)/[(R+Rx)(R+RP)]}U

热电阻温度传感器特点及应用

热电阻温度变送器能准确测量温度传感器发出的温度信号包括PT100、PT1000、CU50。经分离、传输、传输后，可转换为标准设备的模拟信号输出。一个信号可分为两个通道。它可以直接与显示仪表连接，也可以与PLC、DCS、各种A/D转换器和计算机系统连接。广泛应用于机械、电力、铁路、石化、冶金、化工、食品废水处理等行业的自动化系统中。

1.二线制4-20mA标准电流信号性别化输出，模块化结构。

2.冷端热电阻温度变送器的自动补偿。变送器有电源极性反转保护电路，在输出接线反转时对电路进行保护(此时回路电流为零);传感器接线不正确，无论高还是低，都会导致变送器输出饱和;产品有射频/电磁干扰保护，这是有利于提高测量的稳定性。

3.热电阻温度变送器的电磁兼容性符合欧洲电工委员会(EC)的BS EN 50081-1和BSEN 50082-1标准。

4.热电阻温度变送器的连接由外壳顶部的螺纹端子完成。为满足CE认证，信号输入接线长度不应超过3米，输出接线必须是屏蔽电缆，只能一端接地。热电阻温度传感器的三个输入接线必须直径和长度相等，以确保每根引线的电阻相同。

5.热电阻温度变送器的中心孔用于传感器的信号接线。传感器的信号线通过螺钉直接拧在变送器的输入端。所设计的螺纹端子可接受内部或外部接线方式。

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